1.4: Une introduction à la neuroanatomie

Grâce à l’étude de la neuroanatomie, les scientifiques tentent de dessiner une carte pour naviguer dans le système complexe qui contrôle notre comportement. Au niveau microscopique, les neuroanatomistes étudient les relations entre les cellules de signalisation, appelées neurones ; cellules d’entretien, appelées cellules gliales ; et la structure matricielle extracellulaire qui les soutient. D’un point de vue plus large, au niveau des organes, la neuroanatomie examine les structures cérébrales et les voies nerveuses.

Cette vidéo donnera un aperçu de la recherche neuroanatomique en présentant l’histoire du domaine, les questions clés posées par les neuroanatomistes et les outils disponibles pour répondre à ces questions, suivie d’un examen de certaines expériences spécifiques portant sur la neuroanatomie.

Commençons par revenir sur l’histoire de cette branche des neurosciences. Les racines de la recherche neuroanatomique remontent au 4ème siècle avant JC, lorsque Hippocrate a émis l’hypothèse que l’activité mentale réside dans le cerveau plutôt que dans le cœur.

Mais ce n’est qu’à la fin du XVe siècle, lorsque le pape Sixte IV déstigmatisa la dissection humaine, que l’étude de la neuroanatomie fut revitalisée, comme en témoigne la publication en 1543 de l’ouvrage d’Andreas Vésale « Sur le fonctionnement du corps humain », qui comprenait un compte rendu détaillé de l’anatomie du cerveau.

Développant ce travail, en 1664, Thomas Willis publia le ? Anatomie du cerveau ?, dans laquelle il a introduit plusieurs nouvelles structures neurologiques et spéculé sur leur fonction. Ce travail est maintenant considéré comme le fondement de la neuroanatomie moderne.

À la fin du XVIe siècle, l’invention du microscope déclenche une seconde révolution dans la recherche neuroanatomique. À la suite de cette percée technologique, en 1873, Camillo Golgi a inventé une technique de coloration pour visualiser des neurones uniques au microscope.

Grâce à ces innovations, en 1888, Santiago Ramán y Cajal a formulé la doctrine des neurones : l’idée que l’unité anatomique et fonctionnelle du cerveau est le neurone.

De retour au niveau macroscopique, en 1909, Korbinian Brodmann a publié une série de cartes cérébrales, où il a divisé le cortex cérébral en 52 zones distinctes, appelées ? Les zones de Brodmann. Ces cartes étaient basées sur son observation que diverses zones corticales ont une cytoarchitecture différente.

Plus tard, en 1957, Wilder Penfield et Theodore Rasmussen ont généré l’homoncule cortical : une carte plus détaillée d’une sélection d’aires de Brodmann montrant les régions contrôlant des fonctions motrices et sensorielles spécifiques.

S’appuyant sur ces études historiques impressionnantes de la structure du système nerveux aux niveaux microscopique et macroscopique, les neuroanatomistes d’aujourd’hui posent des questions sur la relation entre la structure et la fonction. Pour commencer, certains chercheurs se concentrent spécifiquement sur la cytoarchitecture, c’est-à-dire l’arrangement des neurones et de la glie. Par exemple, pour étudier des noyaux spécifiques, ou des amas de neurones dans le cerveau, il est utile de caractériser les sous-types neuronaux qui s’y trouvent et les connexions que ces cellules établissent avec d’autres régions du cerveau.

Étant donné que la cytoarchitecture est dynamique, une autre question clé dans ce domaine se concentre sur comment et pourquoi les changements neuroanatomiques se produisent.

Par exemple, l’apprentissage et la mémoire sont associés à la « neuroplasticité » ou à des changements dans les voies neuronales, comme des altérations des points de contact structurels entre les neurones. De petites protubérances, appelées épines dendritiques, peuvent changer dynamiquement de taille, de forme et de nombre en fonction de l’activité.

La compréhension de la structure du système nerveux est également essentielle pour expliquer son dysfonctionnement.

Par exemple, les maladies neurodégénératives débilitantes sont associées à des modifications neuroanatomiques caractéristiques, telles que la dégénérescence des neurones dopaminergiques observée dans la maladie de Parkinson.

Après avoir discuté des questions clés que se posent les neuroanatomistes, passons en revue les outils que ces scientifiques utilisent pour trouver des réponses.

Tout d’abord, l’histologie, ou l’analyse de coupes de tissus colorés, est une technique essentielle pour l’étude de la cytoarchitecture.

Les neuroanatomistes disposent d’un certain nombre de colorants pour visualiser des structures spécifiques du système nerveux.

L’histochimie est une branche de l’histologie basée sur la localisation et l’identification de composants chimiques. Une application particulièrement précieuse de l’histochimie est la détection de traceurs : des molécules qui sont introduites dans les neurones pour visualiser leurs connexions au sein du système nerveux.

Comme nous l’avons mentionné précédemment, l’avènement du microscope a révolutionné la façon dont la neuroanatomie était étudiée. Le microscope optique permet d’imager des tissus neuronaux histologiquement colorés jusqu’à mille fois leur taille d’origine, révélant ainsi la cytoarchitecture. Le microscope optique à fluorescence permet d’imager des protéines immunomarquées dans des coupes de tissus ou en culture, et permet des études de colocalisation, qui consistent à déterminer si deux protéines sont proches ou non au sein d’un même neurone.

L’imagerie confocale est une méthode améliorée de microscopie à fluorescence qui permet le sectionnement optique du tissu neuronal et peut donc être utilisée pour générer des reconstructions 3D des neurones afin d’étudier leur morphologie, ou leur forme.

L’imagerie à 2 photons est un autre type d’imagerie par fluorescence, qui peut pénétrer profondément dans les tissus et est souvent utilisée pour l’imagerie en direct du cerveau chez les animaux au comportement.

Cependant, aucun photon ne peut pénétrer tout à fait comme un électron, de sorte que la microscopie électronique a été inestimable pour fournir une résolution subnanométrique des structures neuronales. En particulier, la synapse a été visualisée dans les moindres détails à l’aide de la microscopie électronique à transmission. De plus, en compilant les images obtenues à partir de coupes en série visualisées par microscopie électronique, des reconstructions 3D de « volumes » neuronaux peut être généré par un processus connu sous le nom de tomographie.

Pour surveiller les changements dans les structures neuroanatomiques au fil du temps, la neuroimagerie est un outil extrêmement utile. L’imagerie par résonance magnétique, ou IRM, est largement utilisée pour étudier le cerveau chez l’homme. Cette technique fournit une image du cerveau dans son ensemble, jusqu’à une résolution de 1 mm. L’IRM peut être utilisée pour étudier la substance blanche par la tractographie. Avec cette technique, les neuroanatomistes visualisent des faisceaux d’axones, révélant des connexions entre et à l’intérieur des zones du cerveau.

Afin d’évaluer les corrélats entre la neuroanatomie et les états pathologiques, les scientifiques utilisent fréquemment des techniques chirurgicales appliquées à des modèles animaux. La chirurgie stéréotaxique utilise un système de coordonnées tridimensionnelles et des atlas anatomiques détaillés pour permettre aux chercheurs de manipuler physiquement des zones anatomiques isolées. Avec un appareil stéréotaxique et les informations anatomiques appropriées, il est possible d’administrer une stimulation électrique, d’introduire des médicaments ou d’autres substances, ou de créer des lésions dans des régions ciblées du cerveau.

Ensuite, passons en revue quelques applications de ces méthodes. Des informations détaillées sur la structure du cerveau peuvent être obtenues en analysant des cerveaux préservés qui sont finement coupés en sections. Pour mettre en évidence des caractéristiques structurelles distinctes, ces sections du cerveau des primates ont été colorées pour montrer l’expression de trois protéines dans l’ensemble du cerveau. Les sections colorées peuvent également être étudiées à fort grossissement, ce qui permet aux chercheurs de visualiser la structure au niveau cellulaire.

L’expérience peut modifier la structure neuronale au niveau cellulaire. Dans cette expérience, de jeunes rats sont exposés à des stimuli tactiles tout au long du développement. Lorsqu’ils atteignent l’âge adulte, des échantillons de cerveau sont collectés et colorés pour visualiser la morphologie cellulaire. Les images résultantes révèlent des changements dans la forme et le nombre de dendrites, suggérant une connectivité neuronale altérée.

La neuroanatomie est essentielle en milieu clinique, car elle contribue au diagnostic et au traitement des maladies neurologiques et psychiatriques. Par exemple, les modifications de la cytoarchitecture sont étroitement liées à certains états pathologiques. Les techniques de neuroimagerie structurelle sont fréquemment combinées à l’imagerie fonctionnelle pour comparer l’activité de régions cérébrales spécifiques dans des états normaux et pathologiques. Par exemple, les patients souffrant d’une commotion cérébrale présentent des changements dans les schémas d’activité neuronale, qui sont en corrélation avec leur rétablissement après la blessure.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la neuroanatomie. Dans cette vidéo, nous avons retracé l’histoire de la recherche en neuroanatomie et présenté les questions clés que se posent les neuroanatomistes. Nous avons également exploré des stratégies de recherche aux niveaux microscopique et macroscopique, et discuté de leurs applications.

Merci d’avoir regardé !